食品工程原理复习题.docx
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食品工程原理复习题
单元操作的应用及特点？
1、若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。
2、均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。
3、同一食品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元操作。
4、单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用。
单元操作按其理论基础可分为下列三类：
（1）流体流动过程
（2）传热过程
（3）传质过程
三传理论
1、动量传递（momentumtransfer）：
流体流动时，其内部发生动量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。
凡是遵循流体流动基本规律的单元操作，到可以用动量传递的理论去研究。
2、热量传递（heattransfer）:
物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。
凡是遵循传热基本规律的单元操作，到可以用热量传递的理论去研究。
3、质量传递（masstransfer）:
两相间物质的传递过程即为质量传递。
凡是遵循传质基本规律的单元操作，到可以用质量传递的理论去研究。
单元操作与三传的关系
“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。
同时，“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础。
国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的。
物料衡算的步骤：
（1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。
（2）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。
在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。
平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。
颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响：
原因：
由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。
其结果能减小溶解过程的阻力
过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比
流体:
在剪应力作用下能产生连续变形的物体，流体是气体与液体的总称。
质点：
由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备
尺寸、远大于分子自由程。
工程意义：
利用连续的数学工具，从宏观研究函数流体。
流体的特征：
具有流动性；
无固定形状，随容器形状而变化；
受外力作用时内部产生相对运动。
不可压缩流体：
流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。
可压缩流体：
流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。
质量力：
万有引力、达朗贝尔力
表面力：
压力、剪力
压力：
流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。
压力的特性：
流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；
任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；
作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。
压力的单位:
帕斯卡,Pa,N/m2（法定单位）;
标准大气压,atm;
某流体在柱高度;
bar（巴）或kgf/cm2等。
表压＝绝对压力－大气压力
真空度＝大气压力－绝对压力
粘性：
流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性
运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。
流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。
牛顿粘性定律：
指示液的选取：
指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；
其密度要大于被测流体密度。
应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。
质量流速：
单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。
稳定流动：
各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化：
不稳定流动：
流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化：
位能：
流体受重力作用在不同高度所具有的能量。
1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。
理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。
利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：
管内流体的流量；
输送设备的功率；
管路中流体的压力；
容器间的相对位置等。
位能基准面的选取：
必须与地面平行；
宜于选取两截面中位置较低的截面；
若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。
截面的选取：
与流体的流动方向相垂直；
两截面间流体应是定态连续流动；
截面宜选在已知量多、计算方便处。
层流（或滞流）：
流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；
湍流（或紊流）：
流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。
Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。
流动边界层：
存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99％以内的区域。
边界层厚度：
边界层外缘与壁面间的垂直距离。
边界层区（边界层内）：
沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。
主流区（边界层外）：
速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。
边界层分离的必要条件：
流体具有粘性；流动过程中存在逆压梯度
边界层分离的后果：
产生大量旋涡；造成较大的能量损失。
直管阻力：
流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；
局部阻力：
流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。
减少流动阻力的途径：
管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；
尽量不安装不必要的管件和阀门等；
管径适当大些。
设计型计算步骤：
设计要求：
规定输液量Vs，确定一经济的管径及供液点提供的位能z1（或静压能p1）。
给定条件：
（1）供液与需液点的距离，即管长l；
（2）管道材料与管件的配置，即及；
（3）需液点的位置z2及压力p2；
（4）输送机械We。
选择适宜流速----------确定经济管径
安装及优缺点：
（1）安装在稳定流段，上游l>10d，下游l>5d；
（2）结构简单，制造与安装方便；
（3）能量损失较大。
泵的分类，按工作原理分：
叶片式泵往复泵旋转式泵
按用途分：
清水泵油泵耐腐蚀泵杂质泵
离心泵的选用：
（1）根据液体的性质确定类型
（2）确定管路流量和所需外加压头。
Q生产任务，H管路的特性方程。
（3）根据所需Q和H确定泵的型号
①查性能表或曲线，要求泵的H和Q与管路所需相适应。
②若需Q有变，以最大Q为准，H应以最大Q值查找。
③若泵的H和Q与管路所需不符，在邻型号中找H和Q都稍大一点的。
④若几个型号都行，应选在操作条件下最高者
⑤若液体性质与清水相差大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，看是否能满足要求。
⑥为保险，所选泵可以稍大；但若太大，能量利用程度低。
离心泵的安装与操作
安装：
①安装高度应小于允许安装高度
②尽量减少吸入管路阻力，短、直、粗、管件少；调节阀应装于出口管路。
操作：
①启动前应灌泵，并排气。
②应在出口阀关闭的情况下启动泵
③停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮
④经常检查轴封情况
往复泵的操作要点和流量调节
（1）适用场合与流体（Q不太大，H较高，非腐蚀和悬浮物）
（2）安装高度有一定的限制
（3）有自吸作用，启动前无需要灌泵
（4）一般不设出口阀，有也必须打开启动
（5）往复泵的流量调节方法：
①用旁路阀调节流量②改变曲柄转速
气体输送机械在工业生产中的应用：
①气体输送压力不高，但量大，动力消耗大
②产生高压气体：
终到设备压力高
③生产真空：
上游设备负压操作
气体输送机械的一般特点
①动力消耗大
②设备体积庞大
③特殊性——气体的可压缩性
离心式通风机的结构特点
①叶轮直径较大——适应大风量
②叶片数较多
③叶片有平直、前弯、后弯
不求高效率时——前弯
④机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常为为矩形
热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：
热传导对流辐射
强制对流：
因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。
自然对流：
由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。
温度场：
空间中各点在某一瞬间的温度分布，称为温度场。
传热速率（热流量）：
单位时间通过传热面积的热量。
用Q表示，单位W（J/s）。
热通量（热流密度）：
单位时间通过单位传热面积的热量q，单位W/m2
单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比
某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层厚10cm，填以绝缘材料。
砖墙的热导率为0.70w/m·k，绝缘材料的热导率为0.04w/m·k，墙外表面温度为10℃，内表面为-5℃，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。
解：
根据题意，已知t1=10℃，t4=-5℃，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，λ1=λ3=0.70w/m·k，λ2=0.04w/m·k。
按热流密度公式计算q：
按温度差分配计算t2、t3
℃
℃
求保温层的临界直径：
假设保温层内表面温度为t1，环境温度为tf，保温层的内、外半径分别为r1和r0，保温层的导热系数为λ，保温层外壁与空气之间的对流传热系数为α。
解：
热损失为：
分析：
当r1不变、r0增大时，热阻R1增大，R2减小，因此有可能使总热阻（R1+R2）下降，导致热损失增大。
上式对r0求导，可求出当Q最大时的临界半径，即
解得r0=λ/α
所以，临界半径为rc=λ/α或dc=2λ/α
在一60×3.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07W/m·℃，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数λ=0.15W/m·℃。
现用热电偶测得管内壁温度为500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的导热系数λ=45W/m·℃。
试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。
解：
每米管长的热损失
式中:
r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03m
r3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m
保温层界面温度t3
解得t3=131.2℃
对流传热：
是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。
影响对流传热系数的主要因素：
1流体的状态：
液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。
有相
变时对流传热系数比无相变化时大的多；
2流体的物理性质：
影响较大的物性如密度р、比热cp、导热系数
λ、粘度μ等；
3流体的运动状况：
层流、过渡流或湍流；
4流体对流的状况：
自然对流，强制对流；
5传热表面的形状、位置及大小：
如管、板、管束、管径、管
长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。
常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，φ60×3.5mm的钢管中流动，温度由150℃升到250℃。
试求管壁对空气的对流传热系数。
解：
此题为空气在圆形直管内作强制对流
定性温度t=（150+250）/2=200℃
查200℃时空气的物性数据（附录）如下
Cp=1.026×103J/kg.℃λ=0.03928W/m.℃
μ=26.0×10-6N.s/m2ρ=0.746kg/m3
Pr=0.68
特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053m
l/d=4/0.053=75.5>50
Re=duρ/μ=（0.053×15×0.746）/（0.6×10-5）
=2.28×104>104（湍流）
Pr=cpμ/λ=（1.026×103×26.0×10-5）/0.03928=0.68
本题中空气被加热,k=0.4代入
Nu=0.023Re0.8Pr0.4
=0.023×（22800）0.8×（0.68）0.4
=60.4
W/m2·℃
例：
一套管换热器，套管为φ89×3.5mm钢管，内管为φ25×2.5mm钢管。
环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷却水在内管中渡过，进口温度为15℃，出口为85℃。
冷却水流速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。
解：
此题为水在圆形直管内流动
定性温度t=（15+35）/2=25℃
查25℃时水的物性数据（见附录）如下：
Cp=4.179×103J/kg·℃λ=0.608W/m·℃
μ=90.27×10-3N·s/m2ρ=997kg/m3
Re=duρ/μ=（0.02×0.4×997）/（90.27×10-5）=8836
Re在2300~10000之间，为过渡流区
Pr=cpμ/λ=（4.179×103×90.27×10-5）/60.8×10-2=6.2
a可按式Nu=0.023Re0.8Prn进行计算，水被加热，n=0.4。
校正系数f
对流传热系数
蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。
膜状冷凝：
由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。
在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。
滴状冷凝：
若冷凝液不能润湿避免，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝称为滴状冷凝。
在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。
蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。
工业上沸腾的方法有两种：
管内沸腾大溶积沸腾（池内沸腾）
根据传热温差的变化，可将液体沸腾传热过程分为以下四个阶段：
自然对流阶段泡核沸腾阶段膜状沸腾阶段稳定腊状沸腾阶段
热辐射能物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。
食品热加工分直接加热和间接加热。
一列管式换热器，由Ø25×2.5mm的钢管组成。
管内为CO2，流量为6000kg/h，由55℃冷却到30℃。
管外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为20℃。
CO2与冷却水呈逆流流动。
已知水侧的对流传热系数为3000W/m2·K，CO2侧的对流传热系数为40W/m2·K。
试求总传热系数K，分别用内表面积A1，外表面积A2表示。
解：
查钢的导热系数λ=45W/m·K
取CO2侧污垢热阻Ra1=0.53×10-3m2·K/W
取水侧污垢热阻Ra2=0.21×10-3m2·K/W
以内、外表面计时，内、外表面分别用下标1、2表示。
生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：
并流逆流错流折流
例现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100℃,出口温度为160℃；某反应物在管内流动，进口温度为250℃，出口温度为180℃。
试分别计算并流与逆流时的平均温度差。
解：
并流℃
逆流
逆流操作时，因Δt2/Δt1<2，则可用算术平均值
例在一由Ø25×2.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500℃,出口400℃。
管外为p=981kN/m2压力（绝压）的水沸腾。
已知高温气体对流传热系数a1=250W/m2·℃，水沸腾的对流传热系数a2=10000W/m2·℃。
忽略管壁、污垢热阻。
试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。
解：
（a）总传热系数
以管子内表面积S1为基准
（b）平均温度差在p=981kN/m2，水的饱和温度为179℃
（c）计算单位面积传热量
Q/S1=K1Δtm=242×271=65580W/m2
（d）管壁温度
T----热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值
T=（500+400）/2=450℃
管内壁温度
管外壁温度
℃
强化传热的目的：
以最小的传热设备获得最大的生产能力。
强化传热的途径：
1、加大传热面积加大传热面积可以增大传热量，但设备增大，投资和维费也随之增加。
可采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属管。
2、增加平均温度差在理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却介质温度的办法，但受客观条件（蒸汽压强、气温、水温）和工艺条件（热敏性、冰点）的限制。
提高蒸汽压强，设备造价会随之提高。
在一定气源压强下，可以采取降低管道阻力的方法来提高加热蒸汽的压强。
在一定条件下也可采用逆流代替并流。
3、减少传热阻力
（1）减少壁厚或使用热导率较高的材料；
（2）防止污垢形成或经常清除污垢；（3）加大流速，提高湍动程度，减少层流内层的厚度均有利于提高对流传热系数。
换热器的分类，按传热方式分：
间壁式、混合式
为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形、管子扭弯或松脱，常采用热补偿的方法，主要有以下几种：
浮头补偿：
换热器两端管板之一不固定在外壳上（此端称为浮头），当管子受热或受冷时，连同浮头一起自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。
补偿圈补偿：
在外壳上焊上一个补偿圈。
当外壳和管子热胀冷缩时，补偿圈发生弹性形变，达到补偿的目的。
U形管补偿：
将管子两端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸缩，与其他管子和外壳无关。
优点：
容易制造、生产成本低，适应性强，尤其适于高压流
体，维修清洗方便。
缺点：
结合面较多，易泄漏。
板式换热器是以板壁为换热壁的换热器，常见的有平板式、螺旋板式、旋转刮板式以及夹套式换热器。
优点：
总传热系数高，污垢热阻亦较小；
结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；
操作灵活性大，可以根据需要调节板片数目以增减传热面积或以调节流道的办法，适应冷、热流体流量和温度变化的要求；
加工制造容易、检修清洗方便、热损失小。
缺点：
允许操作压力较低，最高不超过1961kPa，否则容易渗漏；
操作温度不能太高，因受垫片耐热性能的限制；
处理量不大，因板间距小，流道截面较小，流速亦不能过大。
蒸汽管道的外径为壁面220mm,其上覆盖一层厚为200mm的保温层。
蒸汽管外表面温度为177℃，保温层外表面温度为40℃，保温材料λ=0.52+9×10-4t（w/m·℃）。
求每米管长之热损失。
解：
分离变量积分
带有搅拌器的牛奶加热槽内有20°C的牛奶200㎏，槽内有传热面积0.5m²的蛇管。
现以120°C的蒸汽通入蛇管进行加热。
求：
牛奶的升温规律（即T=f（t））。
已知：
K=460W/m2·ºC，Cp=3.85kj/kg·ºC。
解：
此问题为搅拌槽内以衡温工质加热的情形，由
将Th=120ºCT0=20ºC，K=460W/m2·ºC，A=0.5m2，Cp=3.85kj/kg·ºC等代入上式，得：
分散相：
分散物质。
在非均相物系中，处于分散状态的物质。
连续相：
分散介质。
包围着分散物质而处于连续状态的流体。
机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。
过滤的操作基本方式有两种：
滤饼过滤和深层过滤。
过滤介质应具有如下性质：
1）多孔性，液体流过的阻力小；
2）有足够的强度；
3）耐腐蚀性和耐热性；
4）孔道大小适当，能发生架桥现象。
不可压缩滤饼：
若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。
可压缩滤饼：
若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，滤饼则被压紧，使单位厚度滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼。
助滤剂：
对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流，该种颗粒状物质就称为助滤剂。
助滤剂的基本要求：
1）、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。
2）、具有化学稳定性。
3）、在操作压强范围内具有不可压缩性。
空隙率：
单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。
比表面积：
单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。
过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。
特点：
滤饼不断变厚；
阻力逐渐增加；
推动力Δp恒定；
过滤速率逐渐变小。
过滤设备，按操作压强差分类：
压滤、吸滤和离心过滤
往复活塞推渣离心机工作原理：
在离心力作用下液体沿加料斗的锥形面流动，均匀地沿圆周分散到滤筐的过滤段。
滤液透过滤网而形成滤渣层。
活塞推渣器与加料斗一齐作往复运动，将滤渣间断地沿着滤筐内表面向排渣口排出。
排渣器的往复运动是先向前推，马上后退，经过一段时间形成一定厚度的滤渣层后，再次向前推，如此重复进行推渣。
特点：
分离因数约为300～700，其生产能力大，适用于分离固体颗粒浓度较浓、粒径较大（0.1~5mm）的悬浮液，在生产中得到广泛应用。
沉降速度（terminalvelocity）：
也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。
例：
计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。
解：
在20℃的水中：
20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pas
先设为层流区
计算Re，核算流型：
假设正确，计算有效。
絮凝剂（coagulant）：
凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质。
常用絮凝剂：
明矾、三氧化铝、绿矾（硫酸亚铁）、三氯化铁等。
温度为20℃，压力为0.101Mpa，流量为2.5m3/s的含尘空气，用标准旋风分离器除尘。
粉尘密度为2500kg/m3，试计算临界粒径。
选择合适的旋风分离器，使之能100%的分离出6.5m以上的粉尘。
并计算压损。
解：
20℃，0.101Mpa时空气的：
=1.21kg/m3，=1.81×10-5Pas
1、确定进口气速：
ui=20m/s（15-20m/s）
2、计算D和b：
流量V=Aui=BhuB=D/5,h=3D/5
2.5=（D/5）×（3D/5）×20
D=1.041m取D=1100mm
此时
3、求dpc
4、求p
5、求D，使dpc=6.5m
B=0.175，D=5B，h=3D/5=3B=0.525，取ui=17m/s
x=1.6，取x=2
D=5B=0.875，取D=800mm
6、校核
由V=bhu，b=D/5，h=3D/5，得
所以，所选分离器适用。
液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。
澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。
水中含有极少量细小颗粒的悬浮液，想用管式高速离心机分离，使其中1μm以上的颗粒全部除去。
试求最大的悬浮液进料量为多少。
离心机转鼓尺寸为：
r1=5cm、r2=8cm，h=60cm。
转鼓的转数为12000rpm。
悬浮液温度为20℃，颗粒的密度为23000kg/m3。
解：
查得水在20℃时的μ=10-3Pa·s，ρ=1000kg/m3，
转鼓的旋转角速度ω=2πN/60=2π（12000）/60=1257rad/s
重力沉降速度ut=gdp2（ρp-ρ）/18μ
=9.81（10-6）2（2300-1000）
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